模具设计理念的重大转变与实际应用

模具设计理念的重大转变与实际应用Theimportantchangeandactualuseofmold-designingcomcept黄建兵/huang.jianbing比亚迪汽车有限公司摘要：本文主要阐述模具排气、冷却以及“模具成本是设计出来的”的设计理念，以及该理念在实际工作中的应用。[关键词]风水、排气、冷却、模具设计、模具强度、避空Abstract:Thispapermainlyexpatiatedtheexhaustingandcoolingofmold,andthereisaconceptthatthecostingofmoldisdesignedbythedesigner,andwhichusedintheactuallywork.[Keywords]:geomanticomen、exhaust、cooling、molddesign、moldcost、moldstrength、clearance.1．引言随着公司对整车品质的要求越来越高，塑胶模具的品质也需不断的提升。为了保证模具品质，模具设计理念也要随着转变，尤其在模具的冷却、排气、成本等方面。2．模具风水某模具厂的模具有“风水”这说，风指排气，水指冷却。模具冷却与排气的好坏直接影响到产品的品质。冷却不均匀，会使产品翘曲变形、产生内应力、开裂、溢料等，同时也影响到塑件的成型周期；排气不畅，制品表面灼伤、注射量不足、表面流痕和熔结线等，因而冷却和排气系统在设计的整个塑胶模具设计中有着较为重要的作用。2．1排气2．1．1模具内气体的来源注塑成型时模具内气体的来源主要有以下几个：型腔和浇注系统中存在的空气；塑料原料含有的水分在高温下蒸气而产生水蒸气；高温下塑料分解产生的气体；塑料中某些添加剂挥发或发生化学反应所产生的气体，如热固性塑料成型时，常常由于化学反应而产生气体。2．1．2分型面排气前期的模具在设计时没有认识到模具排气的重要性，也没有标准。如图1所示，只是设计工程师根据自己的经验在图档上做了部分排气,或者钳工根据经验FIT好模具后，把模仁拿到磨床自己加工排气，位置、排气槽深度等全靠经验数据选取，准确度差。如果排气槽开得过小，不能及时把气体排出，或排气不畅会等都会致使型腔中的气体在注塑过程中受到压缩，产生很大的反压力，正是这种反压力阻止了熔融塑料的正常快速充模，使得注塑成型变得困难。一旦遇到这种情况，注塑人员常采用提高注塑压力、增加保压时间等方法，这样导致了成型周期延滞，生产效率降低，注塑机耗能增加等后果。如果排气槽开得过大，对一些流动性好的塑料容易造成溢料。通过不断的学习和理念的转变，逐步认识到模具排气的重要性，根据各种塑料的溢边值，制定标准，如图2所示，后期在模具设计时严格参照标准进行排气槽的设计，如图3所示，这样的全面排气结构，模具加工时虽然要多花费一些时间，但排气迅速，可以将型腔内的大部分气体排出，易获得良好外观的制品。2．1．3镶件排气当模具排气极困难时应采用镶拼结构。比如有些模具的死角不易开排气槽，在不影响产品外观及精度的情况下适当把模具改为镶拼结构，或者产品上一些深筋位也需要适当的进行镶拼，这样不仅有利于排气，还可以降低原有的加工难度，同时便于维修。但现在机床的加工精度不断的提高，即使采用镶拼结构，如图4所示，镶件与模仁之间配合较好时气体同样难以排出。通过设计理念的转变，把排气设计应用到镶件上，根据图2标准，对镶件进行排气槽设计，如图5所示，这样更有利于型腔内部气体的排出。2．1．4其它排气可以利用顶针与顶针孔的配合间隙进行排气，如BMC模具需要顶针与顶针孔单边有0.03mm的间隙；对产品一些极易困气的地方可能采用透气钢来排气；目前最先进的模具内部排气是利用金属粉末激光造型复合加工技术来实现的。2．1．5排气槽的计算根据型腔内气体的质量、温度、压力等参数，可以对模具表面排气槽的宽度进行计算：a.被压缩气体的最终温度：T=T0（P/P）0.13式中：T0—模具内气体的初始温度T0=20+273=293KP—模具内排气压力，Mpa/P0—模具内气体的初始压力/P0=0.1Mpab．型腔内气体的质量：G=ðOVO式中:ðO—按常压常温的氮气密度为1.16kg/m3V0—模内型腔体保积，M3c.排气隙的截面积S=25GT0.5/OP0式中：S—排气槽截面积，M㎡G—模具内气体的质量，kg.P0—模具内气体的初始压力,0.1MpaT—模具内被压缩气体的最终温度,KO—充填时间,Sd.排气隙的宽度：W=S/h式中：h—塑料的溢边值2．2冷却2．2．1模具温度对塑件的影响影响注塑模冷却的因素很多，如塑件的形状和分型面的设计，冷却介质的种类、温度、流速，冷却管道的几何参数及空间布置，模具的材料，熔体的温度，塑件要求的顶出温度和模具温度，塑件和模具间的热循环交互作用等。模具温度对塑件的影响主要有：低的模具温度可降低塑件的成型收缩率。模具温度均匀、冷却时间短、注射速度快可以减小塑件的翘曲变形。对于结晶性聚合物，提高模具温度可使塑件尺寸稳定，避免后结晶现象，但是将导致成型周期延长和塑件发脆等缺陷。随着结晶性聚合物结晶度提高,塑料的耐应力开裂性降低，因此降低模具温度是有利的。但对于高粘度的无定型聚合物，由于其耐力开裂性与塑件的内应力直接相关，因此提高模具温度和充填速度，减少补料时间是有利的。提高模具温度可以改善塑件的表面质量。2．2．2射模冷却系统的设计和分析2．2．2．1注射模冷却系统设计的原则设计冷却系统需要考虑模具的结构、塑件的尺寸和壁厚、镶件的位置、熔接痕的产生位置等，前期模具在设计冷却系统时理念粗放（如图6），认为模具上有运水就行，设计得太多，后续模具维修困难。随着对产品品质要求的提高和生产效率的认识，我们逐步认识到冷却系统的设计对模具的重要性，现在在模具设计时会通过以下原则进行冷却系统的设计：零件重量≥100g，胶位厚度t≥3，透明件或软胶料，就用¢10以上的水道；进出水设计要以近胶位处为1N，远离胶处为OUT为原则；冷却通道至型腔表面的距离相等，亦即冷却通道的排列与型腔的形状相吻合，一般冷却通道与型腔表面的距离大于10mm，运水离胶位距离要适中（1.2d---2d,尽量取1.5d）如图7所示；在模具结构允许的前提下，冷却通道的孔径尽量大，冷却回路的数量尽量多且排布均匀；浇口处应加强冷却，由于浇口附近温度最高，通常可使冷却水先流经浇口附近，再流向浇口远端；每条水路的水流距离应尽可能相仿，不能相差太大；冷却通道要避免接近塑件熔接痕的生产位置，以免降低塑件的强度；对收缩大的产品，如PP、PE、PVC等，尽量沿制品收缩大的方向排布运水；注意危险：运水的位置不允许正对接近应力集中点，例如运水不要接近或正对定位转角点；两相邻水道中心距以5d为原则（d为运水直径）；连接注塑机进出水路应该在模具反操作侧或地侧，避免在操作侧或天侧。一模多腔产品较大时，产品的冷却系统应该独立，便于在生产中对单个产品进行调控；对冷却水道布置有困难的部位应采取其它冷却方式，如铍铜、铜管、冷却棒等；2．2．2．2注射模冷却系统的计算Q=M1[Cp(T1-T2)+L]或中：Q—单次成型周期从模具除去的总热量（卡）M—单次成型周期注入型腔的塑料重量（kg）T1—塑料的注射温度(C)T2—模具的表面温度(C)L—塑料的熔解潜热（卡/kg）令Cp(T1-T2)+L=aa——塑料的总融量（KJ/kg）Q=M.k(T3-T4)式中:M—通过模具的冷却水的质量(kg)T3—出水温度T4—进水温度K—热传导系统，根据材料不同而不同冷却水流量q=M/TT—成型周期时间以q确定水管直径（保证水道中的水Ra=10000以上。）2．2．2．3注射模的冷却分析由于实际塑件的形状往往十分复杂，因此借助于一些简化公式或经验公式来分析冷却系统的可行性存在着很大的局限性。通过应用Moldflow软件可以在模具设计阶段有效且准确分析模温、水路配置效能以及冷却时间，从而优化冷却系统的布局，以达到使塑件快速、均衡冷却的目的，从而缩短注射成型的冷却时间，提高生产效率。3．模具成本是设计出来的模具设计工程师对模具最终的成本起决定性作用，模具的结构预先决定了模具的制作成本、生产成本，还有后期的维修成本。3．1强度模具成本是设计出来的，不是指模具设计时将模仁、模胚的尺寸做小等靠省材料来降低成本，反而把模仁、模胚设计大些，保证模具足够的强度，表面看起来浪费，但实际是最省成本的方法。图8所示的模仁单薄，生产状况极不稳定，塑胶件披锋、段差严重，需要人工打磨，因为模仁在130kgf/cm2注射压力下早已变形，经过多次修模也无法改善。模具省了部分材料的成本，但增加了成倍的生产成本和模具维修成本。图8旧模前模仁与产品段差情况图9为与图8同类产品的前模仁，看似材料很浪费，但生产状况稳定，产品无批锋、段差，此模具虽材料上多花了成本，但后期的生产稳定，大大的降低了生产成本和模具维修成本。图9新模前模仁与产品段差效果3．2合理的R角设计与避空模具成本是设计出来的，合理的R角设计可直接降低加工成本，设计要考虑到能CNC加工的就不放电，放电的也要想办法做到CNC能加工，尽量减少电极加工，缩短加工周期。而且R角设计要尽可能的大，这样加工的刀具可选择范围会更广，效率会更高。根据模具大小对封胶面（10-35mm）以外的面做避空，因为模具分型面合理的避空可以提高加工效率，如图9分型面除黄色面和胶位面之外都可以避空，在加工时可不考虑避空面的精度，吃刀量可以加大，可以选用旧的刀具，这样既可以节约成本，还可以提高工作效率。3．3合理的分型面设计模具设计时，当分型面为曲面时应该只保留封胶面10mm-35mm，其它位置的面要尽可能的设计成平面，因为平面利于加工，如图10球刀正在加工的曲面切宽约为0.2mm左右，但如果把此面设计成平面，用平底刀（或飞刀）加工，切宽约为5mm-6mm左右。因进给速度不一样，同样的加工面积，设计成平面加工效率比设计成曲面高4-5倍左右，通过合理的分型面设计，效率可以得到了较大的提升。以优化分型面大小：150mmX200mm，2mm的加工余量为例：平面加工时间约为：40分钟，曲面加工时间为：240分钟左右，可节约200分钟，按200元/小时计算，优化分型面后可节约加工成本：3.33小时X200元/小时=666元。现已对分型面的设计制定了《封胶位及避空面标准》（如表1），在模具设计时会严格按标准的要求来设计封胶位的尺寸，而且封胶位以外的面尽可能的设计成平面（如图11），通过改善分型面，提高工作效率，节约成本。表1分型面封胶尺寸要求分类及尺寸小型模具中型模具大型模具模具尺寸范围模具尺寸﹤50505050≤模具尺寸﹤800模具尺寸≥800封胶尺寸L110—1520—2530--354．总结模具是具有生命的，冷却如人体里的血管，排气如皮肤上的毛孔，这些都是缺一不可的，冷却与排气在模具中有着至关重要的作用。模具设计时每一点合理的改善都可以减低模具的制作成本，提高生产效率，减低模具后期的维修成本，因为模具设计的好坏直接体现模具的“品质、寿命、效率、成本”。参考文献：⑴史建国.模具技术2010NO.4〔M〕.机械工业出版社，2010.作者姓名：黄建兵地址：深圳市坪山新区比亚迪路3009号比亚迪汽车有限公司30#厂房2楼邮箱：[e-mail]电话：[phone]